Materiales y Procedimientos de Construcción (Suelos y Cimientos)

MATERIALES Y PROCEDIMIENTOS DE

CONSTRUCCIÓNSUELOS Y CIMIENTOS

Suelos y CimientosIntroducción

• La estabilidad de un edificio depende en la capacidad portante del suelo donde este descansa.

• La capacidad portante del suelo depende de su composición.

• El suelo es formado por la descomposición química de piedras y de la acción del agua, aire y cambios en temperatura sobre ellas. Además de la pudrición de material vegetal y animal.

• Aunque cada suelo y su composición es particular a un sitio, los tipos de suelos alrededor del mundo son similares.

Suelos y CimientosTipos de suelos

• Las partículas del suelo son clasificados como orgánica o inorgárnicas y por el tamaño del grano.

• Estos se clasifican dependiendo de tamaño de las partículas que lo conforman y del porcentaje de humedad que se encuentra en los mismos.– . Grava (“Gravel”): Pasa la malla de 3 pulgadas y se

retiene en la de 2 mm. Las partículas mayores se conocen como enrocamientos.

– Arena (“Sand”): Pasan la malla de 2 mm y se retienen en la de .074 mm.

Suelos y CimientosTipos de suelos

– Limo (Aluvión “Silt”): Es un material más pequeño que la arena y se retiene en la maya de .005 mm. Este es poco resistente, tiene poca humedad y es poco compresible.

– . Arcilla (“Clay”): Es un material cohesivo y sus partículas pasan la malla de .005 mm. Presentan plasticidad dependiendo del contenido de humedad y son muy compresibles.

– Material orgánico: Son partes podridas de vegetación y no son recomendables para proyectos de construcción.

Clasificación de los Suelos

Suelos y CimientosClasificación de los Suelos

• La clasificación de los suelos se refiere a la composición exacta de un suelo particular y se determinan en pruebas de laboratorios.

• Mediante las pruebas se determina su capacidad portante en libras/pie cuadrado.

• Los suelos se dividen en 10 clases:1. Gravas limpias (Clean Gravels) - Menos de 10% de

aluvión o arcilla.2. Gravas arcillosas o de aluvión – Mas de 10% de aluvión o

arcilla.3. Arenas limpias (Clean Sands) – Menos de 10% de aluvión

o arcilla.4. Arenas arcillosas o de aluvión – Mas de 10% de aluvión o

arcilla.


– 5. Aluvión rígido (Non Plastic Silts) – Aluvión inorgánico o arenas muy finas cuyo limite liquido es menor de 50.

– 6. Aluvión plástico – Aluvión inorgánico con un limite liquido mayor de 50.

– 7. Aluvión orgánico – Aluvión con substancial materia orgánica y un limite liquido menor de 50.

– 8. Arcillas rígidas (Non plastic Clays) – Arcillas inorgánicas con un limite liquido menor de 50.

– 9. Arcillas orgánicas y plásticas - Con un limite liquido mayor de 50.

– 10. Turba o babote (Peat & Muck) – Material predominantemente orgánico donde el material vegetal es visible (turba) o no.


• Los factores fluctúan generalmente entre 500 y 4,000 libras por pie cuadrado.

• La capacidad portante del terreno aumenta, como regla general, según aumenta la profundidad de la cimentación.

Suelos y CimientosMovimiento de Suelos

• Todos los edificios están sujetos a los movimientos del suelo, excepto los que se encuentran sobre la capa pétrea (Bedrock) del terreno.

• Debe controlarse el asentamiento para que la carga del edificio se distribuyan uniformemente.– Esto evita grietas, fallas o derrumbes.

• El asentamiento puede durar por varios años dependiendo del periodo de consolidación del terreno, de su contenido de humedad o movimientos sísmico de la misma tierra.

• El congelamiento del suelo puede ocasionar esfuerzos adicionales en una estructura.– Los cimientos deben colocarse por lo menos 1 pie por

debajo de la línea de congelación (Frost Line) para evitar estos esfuerzos.

Suelos y CimientosMovimiento de Suelos

• Al aplicarse una carga en el suelo puede reaccionar en tres formas:

1. Compresión elástica (como en una alfombra de goma).2. Consolidación (al salir el agua y el aire por compresión).3. Fluencia de las partículas del terreno.

• El movimiento de suelos es una condición prevaleciente en los subsuelos arcillosos.

– Esta expande y encoje grandemente con el contenido de humedad.

– A profundidad de 5 pies o mas los movimientos serán menores.

• Las capas de suelos en pendientes tienden a comportarse como una masa cuando se someten a lluvias excesivas.

Suelos y CimientosEfectos del Agua en los Suelos

• La propiedad de un suelo se clasifica como:1. Sólidos – Tienen densidad constante y son muy

poco afectados por cambios en temperatura, humedad o vibración mientras el terreno no sea perturbado.

2. Viscoso – Cuando fluyen.

3. Plástico – Cuando resisten cambio en volumen.

4. Fluidos – Resisten cambios en volumen, fluyen en mayor grado que el viscoso.

Suelos y CimientosEfectos del Agua en los Suelos

• El agua puede ocurrir en un suelo de varias formas:

1. Capilar (en poros)

2. Gravitacional (que filtra)

3. Superficial (película que envuelve las partículas y que es removido por hornos)

4. Absorbidas (no removibles por horno)

Suelos y CimientosEl Nivel Freático


• El nivel freático es el termino que se aplica al nivel bajo el cual todos los suelos se encuentran saturados de agua.

• Factores que afectan el nivel freático:– El nivel freático sigue el contorno del terreno. Se

encuentra a un nivel mas profundo en los montes y montañas y mas cercano a la superficie en áreas llanas.

– El agua de lluvia percola en el terreno reabasteciendo el nivel freático.

– El nivel freático varia con la cantidad de lluvia.


– Los manantiales ocurren cuando depresiones en el terreno colocan el nivel de tierra por debajo del nivel freático.

– El flujo de agua bajo el nivel freático es siempre en dirección a niveles mas bajos.

• La presión hidrostática puede ser suficiente alta como para ocasionar que un edificio “suba” por flotación de aquellas partes del edificio que se encuentren bajo el nivel freático.

Suelos y CimientosSistemas de Drenaje

• Se deben desviar las aguas cercanas a las zapatas.– Se utilizan tuberías de drenaje con diámetros de 6”

rodeadas de grava o suelos porosos.– Se colocan 6” como mínimo por debajo del nivel de

loza de piso mas bajo.

Tierra

Grava Fina

Grava Gruesa

Zapata

Pared

Losa de Piso

6”Agua

Tubo perforado

Tubo Ranurado

Separación

Camisilla

Tubería Drenaje


• El drenaje de aguas superficiales se logra alejándolas de las estructuras.– Se logra manipulando los niveles de la topografía.

• Creando pendientes y nivelando (Graping) el terreno.– Utilizando cunetas de calle, canales y canalones con

pendiente mínimas de 1/8” por pie lineal.– Las aguas se recogen y desaguan en drenajes de rejillas y

alcantarillas (Catch Basins) que conecta a los sistemas pluviales subterráneo; debajo del nivel de calle.

20’-0”(20 x 1/8” = 21/2”)

PendienteSumidero sinfónico (Floor Drain)

21/2” mínimo


Ejemplos de cómo se desvían las aguas en las construcciones.

Suelos y CimientosPRUEBAS DE SUELOS

• Antes de empezar con el diseño de una construcción, se deben analizar en un laboratorio las muestras representativas de tipo de suelo en que se desea construir.

• En estas pruebas se analiza la granulometría, composición y resistencia de los suelos.

• Para esta prueba se ponen tres diferentes capas de material en un cilindro de dimensiones establecidas, se compacta cada una de estas con 25 golpes de una pesa a una altura calculada y a partir de esto y de pesar la muestra en su estado seco se puede obtener la compactación que el suelo puede tener.


• Se maneja en porcentajes de compactación tomando como el 100% la mayor compactación que se dio en la prueba.

• A partir de eso, el proyecto pedirá un porcentaje de compactación que será tomado sacando muestras inalteradas del suelo ya compactado y servirá para asegurarnos que la resistencia que esperamos sea verdadera.

Suelos y CimientosPruebas de Suelos

• Preparado por un ingeniero de suelos geotécnico.• Tipos de pruebas de suelo:

1. Fosa o trinchera de prueba (Test Pit)– Excavaciones simples para inspección visual y de laboratorio.

2. Pruebas de carga:– Cargas en una plataforma en forma paulatina hasta lograr que el

asentamiento sea despreciable por un periodo de varias horas.

3. Barrenos (Auger Borrings):– Barrenos de 2”a 21/2” conectado a un tubo o barra para obtener

muestras y que no excedan de 50’.

4. Sondeo hidropropulsado (Wash Boring):– Tubo de 2”a 4” de diámetro que actúa de camisilla para un tubo

que expele agua. Puede llegar hasta profundidades de 100’.

Suelos y CimientosPruebas de Suelos

5. Perforaciones de sondeo (Core Borrings):– La mas confiable y barrena todo tipo de suelo dando muestras

para indicar el tipo de suelo, descripción y profundidad a la que se encuentra por medio de una forma estándar.

6. Muestreo seco (Dry Sample Boring):– Se usa tubo con punta hendida (split Sample Pipe) y se muestrea

cada 5”.

• Otras pruebas de laboratorio:– Gravedad Especifica - Consolidación– Tamaño de Partícula - Densidad– Forma de Partículas - Relación Densidad/Humedad– Limite liquido y Plástico– Contenido de Agua


• Ejemplos de tubos y barrenos para toma de muestra del suelo.


• Vehiculo típico usado en las pruebas de suelo.

Suelos y Cimientos Compactación de Suelos

• Se compacta el suelo para evitar que ocurran asentamientos o subsidencia.

• El proceso incluye la remoción de agua y aire por compresión.

• En la Compactación se logra una densidad optima reduciendo la fricción intergranular mediante la adición controlada de agua para lograr la densidad optima.

• Los rellenos de nivelación se especifican a un 95% de la densidad optima.

Suelos y CimientosCompactación de Suelos

• Las capas del subsuelo, su capacidad portante y su relación al contenido de agua son el mayor interés para el ingeniero de suelos.

• Un suelo grueso mal graduado aunque varíe el contenido de agua el peso volumétrico seco del material no cambia mucho.

• La granulometría influye en el comportamiento de los suelos gruesos compactados.

• A medida que la granulometría mejora, los huecos se hacen más pequeños y, por lo tanto, desde este punto de vista se asemeja a un suelo fino en donde la influencia del agua es fundamental.


• Cualquiera que sea la forma de compactar los suelos gruesos se debe tomar en cuenta dos peligros:– El primero de ellos es que a medida que se compacta el

suelo grueso su rigidez aumenta y la tendencia a la falla frágil se incrementa.

– El otro peligro consiste en que el suelo grueso adquiera una cierta deformación a partir de la cual se comporta como plástico, pues en ese caso cambia de forma mas no de volumen y si está situado en una zona sísmica puede producir el fenómeno de licitación.

• Se piensa que la resistencia de un suelo fino arcilloso se incrementa notablemente al compactar; pero aun cuando se varíe el contenido de agua, la resistencia prácticamente permanece constante siempre que la deformación inducida sea relativamente grande.


• En general no se puede aceptar como axioma que al aumentar la compactación de un suelo fino arcilloso necesariamente debe incrementarse la resistencia del suelo.

• En términos generales al compactar una arcilla con una humedad mayor a la óptima tiende a disminuir su permeabilidad; una posible aplicación de este hecho es la tendencia a orientarse de las partículas laminares que constituyen la arcilla, esta tendencia se incrementa si se utiliza un sistema de compactación de amasado (pata de cabra) pero no siempre es conveniente compactar al máximo las arcillas.


• Métodos de compactación:1. Compactación de arcilla en estratas finas.

2. Compactación de arena en estratas mas gruesas.

3. Compactación mediante el uso de una compactadora de tacos con pesos de 5 a 15 toneladas (Sheeps Foot Roller).

4. Compactación pneumática de mano.

5. Rodillos de acero para la compactación de la superficie final.

6. Compactación por medio de sobrecarga.

7. Compactación por medio de detonaciones con explosivos.

8. Compactación por vibro-flotación con agua y arena.


• Ejemplos de equipo usados en la compactación.

Suelos y Cimientos Estabilización de suelos

• Se estabiliza el suelo para densificar suelos sueltos para mejorar su fuerza y capacidad portante. Se logra mezclando la tierra con otros materiales como:

1. Cal – Para suelos arcillosos expansivos.

2. Sal – Para estabilizar las camas bases para carreteras, estacionamientos y otras áreas de rodaje.

3. Cemento – Para todo terreno con mayor cantidad para terrenos altamente arcillosos. Se utiliza cemento portland.

Suelos y Cimientos Tipos de Cimentación

• El cimiento de un edificio es la subestructura que soporta las cargas del edificio y las transmite a tierra.

• Las zapatas (Footings) son aquellas partes de los cimientos que descansan directamente sobre el terreno.

• En todo sistema de cimentación la carga de la estructura no debe exceder la capacidad portante del material o suelo en que descansa.– Cuando excede, ocurre lo siguiente:

• Grietas• Movimiento estructural irregular• Falla total del sistema


• A continuación se ilustran las partes principales de un sistema de cimentación:

Cama de Cimentación (Foundation Bed)

Nivel de Terreno

Columna, Pedestal o Pared de Cimentación (Foundation Wall)

Zapata (Footing)


• Existen varios tipos de cimentación pero todos se pueden resumir en tres tipos análogos al:

1. Punto – Pilar o pilote2. Línea – Pared de cimentación3. Plano – Losa de Cimentación

PuntoPlano

Línea

Pilar o Pilote Pared de

Cimentación Losa de Cimentación


• Tres métodos generales para crear base firme donde la estructura puede descansar:

1. Los cimientos y zapatas se esparcen para distribuir cargas concentradas sobre un área mayor del suelo. Algunos sistemas:

– Cimientos Desplegados (Spread Foundation)– Cimentaciones Flotantes (Mat or Raft Foundation)

2. Se hacen excavaciones a través de material inestable hasta llegar a profundidades donde se encuentren material mas sólido. Algunos sistemas:

– Zapatas Flotantes (Boat Footing)– Pilares (Piers)– Paredes de Cimentación (Wall Footing)


3. Se usan pilotes que se entierran hasta llegar a profundidades donde se puedan derivar suficiente fuerza portante por fricción o descansar en estratas de suelo firme.

• Ejemplos:1. Cimentaciones Continuas (Continuos

Foundations)

EDIFICIO

Nivel de Tierra

Zapata

Pared de Cimentación


2. Cimentaciones de vigas terreras con pilares de hormigón.

EDIFICIO

Nivel de Tierra

Pilares

Viga Terrena (Grade Beam)


3. Cimentaciones Desplegadas (Spread Foundation) cuando existen cargas concentradas.

Carga Concentrada

Nivel de Tierra

Columna

Zapata para Carga Distribuida

Cimiento Desplegado

Columna


4. Cimentaciones Flotantes (Mat or Raft Foundation)

Edificio

Carga Total del Edificio Nivel de Tierra

Zapata de Hormigón (Mat)

Se utiliza cuando la capacidad portante del suelo es muy baja y el peso o carga es alto.


5. Cimentación tipo “Boat Footings”

Nivel de Tierra

Edificio Multipiso

Zapata Flotante (Boat Footing)

Se utiliza cuando la capacidad portante de las estratas superiores del suelo es muy baja,

Suelos y Cimientos Pilotes

• Los pilotes son miembros verticales enterrados portantes o de fricción.

• El principio envuelto es que la fricción que se desarrolla a lo largo del pilote provee la fuerza para resistir cargas aplicadas.

• Los pilotes se construyen en tres materiales:1. Madera

2. Hormigón

3. Acero


• La selección de un tipo de pilote depende de:1. El tamaño de la carga

2. La presencia de humedad

3. El potencial de deterioro

• Se prefieren los de hormigón por su durabilidad, resistencia, fuerza y permanencia.


• Ilustración de los tipos de pilotes mas comunes:

Nivel de Agua

Nivel de Tierra Agua

Pedestal (Opcional)

Área Portante

Área de Excavación

Madera Hormigón Prefabricado Hormigón

en Sitio

Acero Placas de Arrostramiento (Sheet Piling)

Suelos y Cimientos Diseño de una Zapata

• El ingeniero estructural utiliza la información suministrada por el ingeniero de suelo para su diseño indicando la capacidad portante del suelo.

• La capacidad portante del suelo se determina en unidades de libras por pie cuadrado.


• Ejemplo: Techo de Hormigón

Columnas

Zapatas

Determine el área de contacto necesaria para cada zapata.

•La carga permanente de la estructura = 24,000 libras•La carga accidental de la estructura = 12,000 libras•La carga total de la estructura = 36,000 libras

•La capacidad portante del suelo = 1,500 libras/pie cuadrado


.24/500,1

000,36zapatadetotalareadecuadradopie

cuadradopielibras

libras

zapatacadaparacuadradospieszapatas

cuadradospies6

4

24

Como la carga en las zapatas es axial será conveniente diseñarlas en forma cuadrada; por lo tanto

45.26 Cada lado deberá ser de 2.45 pies

2.45 pies = 2’- 5 3/8”, esta medida la redondeamos a 2’-6”

Por lo tanto la zapata para cada columna medirá 2’-6” x 2’-6”

Suelos y Cimientos Muros de Contención

• Los muros de contención se construyen para detener el empuje del terreno cuando se construye un terraplén.

• Existen varios tipos:

1. Muro Gravitario

2. Muro Voladizo

Carga LateralMecha

Carga Lateral

Malla


3. Muro en Contrafuerte

Carga Lateral

Malla

4. Muro en Arbotante

Carga Lateral

Grava


• Para evitar cargas adicionales por causa de presión del agua se diseñan mechas (huecos en el muro) para extraer o desaguar el muro.

• También se utilizan espesores de malla sintética y/o trincheras de grava para acelerar la salida del agua que ocurre entre la malla o la grava.

• Si no se hacen estas instalaciones la presión hidrostática causada por el agua puede ser suficiente para derribar el muro.

• Existen sustituciones como jaulas de madera u hormigón (cribbing) o colocando piedras en pendiente (stone riprap) y gaviones consistentes de jaulas de alambre llena de piedra y/o tierra.

CIMIENTOS

http://www.leonlauver.com/resources/fpA.jpg

CIMIENTOS

REFERENCIAS

• Abruña, F. (1989). Materiales y Procedimientos de Construcción. Puerto Rico: Futures Conceptions Ltd.

• Lluch, J.F. (2000). Introducción a la Gerencia de Construcción. (2da.ed.). Puerto Rico: Universidad de Puerto Rico

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